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          綠色建筑節能設計的技術經濟分析
          發布時間:2019-07-08

          摘 要

            這些年,國內外學者將關注的重點放在節能建筑,綠色建筑方面,有關這方面的研究也越來越多,當前還處于研究的初期,截止到目前為止,還沒有一個學者能夠將生命周期成本添應用至節能建筑方面,欠缺實際案例。本文研究的角度放在生命周期這方面,全方位考慮到節能建筑的實用性,經濟性,目的在于加強學者們逐漸意識到如何加強節能技術。

            首先,本文依次對國內外綠色節能建筑的現狀進行了分析總結,介紹了綠色建筑節能的定義和理論;第二,分別梳綠色節能建筑的技術,包含單體技術設計,規劃設計兩方面,對當前社會中常見的節能技術進行分析,無論是從技術的構造,還是從技術的性能都進行分析;其次通過天正節能軟件對本文的節能建筑進行分析,分別將建筑的節能率,耗能率進行計算,使用正交試驗法對圍護結構進行詳細闡述和精確計算,計算出綠色建筑全年的節能率,負荷率,計算出綠色建筑空調和采暖的冷負荷率和熱負荷率等;最后使用正交試驗法對圍護結構設計和技能技術設計的前提下,從整個方案中選取節能效果最好的方案作為本文的分析案例,同時將工程造價融入到案例中,分別計算出全生命周期成本,初始成本,運營成本,從中選擇最佳方案,并且以該節能設計總思路為基礎。

            本文的研究工作,有利于誕生出新成本觀念,在一定程度上減少生命周期投入成本,減少企業對節能建筑的投入成本,有利于提高綠色節能建筑的不斷拓和推廣。此外本文的研究無論是在實踐過程中還是在理論基礎上都有利于加強節能建筑的可持續性,實用性,為后續我國開展這方面的研究提供參照價值。為我國政府推出節能型建筑,綠色節能建筑提供決策。

            關鍵詞:綠色建筑,節能設計,技術經濟分析,全生命周期成本

          綠色建筑

          Abstract

            In recent years, scholars at home and abroad have focused their attention on energy-saving buildings and green buildings. No scholar has been able to apply life cycle costs to energy-saving buildings. There is a lack of practical cases. This paper focuses on the aspect of life cycle, taking into account the practicality and economy of energy-saving buildings in all respects, in order to strengthen scholars gradually realize how to strengthen energy-saving technology.

            Firstly, this paper analyzes and summarizes the status quo of green and energy-saving buildings at home and abroad, and introduces the definition and theory of green building energy conservation. Second, the technology of combing green energy-saving buildings, including single technology design and planning design, analyzes the common energy-saving technologies in the current society, whether it is from the construction of technology or the performance of technology. Secondly, by analyzing the energy-saving buildings in this paper through the Tianzheng energy-saving software, the energy conservation rate and energy consumption rate of the buildings are calculated, and the enclosure structure is elaborated and accurately calculated using the orthogonal test method to calculate the energy conservation rate of green buildings throughout the year. Load rate, calculating the cooling load rate and heat load rate of green building air conditioning and heating; Finally, on the premise of using orthogonal test method to design the envelope structure and skill technology, the best energy-saving plan is selected from the entire plan as the analysis case of this article. At the same time, the project cost is integrated into the case and the life cycle cost is calculated separately. The initial cost, operating cost, choose the best plan from among them, and based on the overall idea of the energy-saving design, the new environmental science building of A University was designed to save energy.

            The research work of this paper is beneficial to the birth of new cost concept, reducing the cost of life cycle investment to a certain extent, reducing the cost of enterprise investment in energy-saving buildings, and improving the continuous expansion and promotion of green energy-saving buildings. In addition, the research of this paper is helpful to strengthen the sustainability and practicability of energy-saving buildings in the course of practice and on the basis of theory. For our government to launch energy-saving buildings, green energy-saving buildings to provide decision-making.

            Keywords: green building, energy saving design, technical and economic analysis, life cycle cost

          目錄

            第1章緒論

            1.1研究背景及意義

            能源問題是全球最為關注的問題之一。在全球所有國家中,無論是發展中國家,還是發達國家,在耗費能源方面,占比率都比較高,尤其表現在建筑耗能,其中涵蓋采暖空調,建造和生活耗能,比例超過30%,根據相關調查發現,住宅是商用耗能的2倍。本文針對我國能源耗費情況來看,這些年我國每年新增建筑總面積超過20億平方米,類比于美國發達國家,美國每年新增建筑總面積僅僅是4-5億平方米[1].我國是當前全球新增加建筑面積最大的國家,遠遠大于其他國家全部新增建筑面積。由于我國房地產事業不斷蓬勃發展,成為我國經濟的支柱行業,根據相關數據統計,我國城鎮鄉村的總建筑面積超過460億平方米,其中有99%的建筑都屬于高能耗。

            本文從生命周期這方面進行考慮,結合綠色建筑的實用性,可持續性,有利于誕生新成本觀,在一定程度上減少生命周期投入成本,減少企業對節能建筑的投入成本,有利于提高綠色節能建筑的不斷拓展和推廣。所以,本文的價值在于能夠從經濟和社會角度給國家帶來效益,因此,具有一定的應用價值,實際價值[2].首先,將生命周期應用于節能建筑中,有利于加強人們對節能建筑的了解和認識,進一步推動節能建筑規模的日益擴展和擴大。其次,從經濟方面進行考慮,根據當地建筑行業的實際情況,探索出個性化的解決方案,為日后我國大規模發展節能建筑提供理論參照價值和理論指導,除此之外,大規模拓展節能建筑,一方面可以改善人民生活和居住環境,推動我國經濟可持續發展,另一方面,有利于降低大氣污染,凈化空氣和環境。

            通過對本文進行研究,對于節能建筑采用實踐和理論相結合的方式,對于節能建筑的實用性和可持續性進行探討。以便于我國今后進行節能建筑的大范圍普及提供部分參照價值。為我國政府推出節能型建筑,綠色節能建筑提供決策。

            1.2國內外研究現

            1.2.1綠色建筑節能設計

            (1)建筑規劃節能設計在建筑節能設計中占據重要位置的是建筑規劃設計。2017年陳燦榮指出規劃高層建筑設計時,需要考慮幾方面內容,分為:建筑之間的距離,道路之間的距離,相鄰建筑之間的距離,建筑之間的風壓問題,建筑之間的熱反射問題等[3].

            2017年崔戍強調臺州地區的最佳位置分別是南面向東和西各偏15°,原因是臺州在夏季和秋季容易受到日曬和臺風的影響[4].2017年馬建國指出節能建筑的規劃內容主要包括:建筑集中供熱,建筑位置,建筑綠化率,建筑方位,建筑通風效果等[5].

            (2)建筑單體節能設計2015年羅串蓮指出利用定量分析方法探討節能和建筑形態之間存在的關聯性[6].2014年莫曉亞強調通過"溫度阻尼區"來實現節能,其中包含采用高保溫材料,擴大建筑受熱面積等[7].2014年張國華主張住宅的屬性確定住宅的節能效果[8].

            建筑在建筑維護結構節能設計的研究中主要體現在下面幾個方面:

            ①建筑外墻節能設計研究2015年JunliYang(2015)提出保溫層壽命的長短主要受這幾方面因素影響,其中保溫層材質,厚度,成本,用戶有一定關系[9].2016年肖娟,林波榮指出優良的建筑保溫材料不僅能夠滿足環保節能的效果,而且可以符合熱阻要求,因此被廣泛應用[10].2016年支家強,趙靖,辛亞娟提倡在選擇保溫材料時,優選外保溫效果好的材料,因為可以增加保溫材料的使用壽命,有利于預防外墻出現裂縫[11].除此之外,西安研究院已經研究出新型綠色墻體材料-保溫空心砌塊[12].②建筑門窗節能設計研究2014年HadasGabay提出將玻璃進行貼膜,不僅能夠阻礙組外線,而且還具有隔熱和保溫的效果[13].2014年VahidVakiloroaya,BijanSamali,KambizPishghadam明確強調綠色玻璃以及雙側玻璃在隔熱和保溫的性能方面具有良好的表現,同時對窗戶的位置和大小對建筑能耗產生的作用進行了研究。提出窗與建筑面積的比例處于10%-12%時節能效果最好。2016年余曉平指出門窗在天氣冷的地方應當注重氣密性,保溫值,在進行選擇中需要注意門窗朝向,窗墻比等因素,目的在于降低能耗[15].2016年李魁山和張旭指出夏天要做好門窗的防熱措施,冬天需要保證門窗的保溫措施[16].無論是選擇節能門窗,還是選擇普通門窗,都需要滿足以下幾方面需求:①需要充分保證室內陽光的充足性;②需要符合保溫隔熱功能,即夏天要做好門窗的防熱措施,冬天需要保證門窗的保溫措施;③需要滿足用戶的視野觀,同時需要保證室內的通風效果;④需要保證建筑外觀的整體性和美觀性。

            ③建筑屋面節能設計研究建筑屋面節能研究過程中,側重點在于屋面的構造和保溫材料的性能。2014年C.Y.Jim指出需要研究屋頂綠化的節能性[17].2015年龍惟定和馬素貞研究出一種硅薄板,完全改變傳統的空心預制板,在很大程度上提升了建筑節能利用率[18].

            2015年孫大明,邵文曦,李菊深入分析和研究種植屋面的結構,提倡大范圍的進行種植屋面[19].

            1.2.2建筑全生命周期成本優化

            G.K.C.Ding(2014)基于全生命周期成本的概念計算出外墻保溫體系的節能成本,同時計算出聚苯板的回收期,石棉保溫材料的回收期[20].

            2016年OmarEspinoza對屋頂的綠色建筑進行了實驗,數據顯示相比傳統的屋頂建筑,新型屋頂的建筑投入資金增加了10%~14%,但是關于運營的凈現值則低了20%.

            2015年江億對建筑的成本項目進行分析和計算,其中主要涉及項目的進度,項目的質量,項目的成本這三方面,細致探討了如何協調和管理這三方面之間的關聯性[22].此外,對于成本管理中的一些常用辦法大致可以分為:責任成本法,工程成本分析法,偏差控制法以及掙得值分析法。

            2018年李小進和王鼎深入分析和探討影響項目管理的關鍵點,其中控制內容,控制方法,控制體系因素,從系統工程方面進行考慮,列舉一些成功案例作為研究的基礎,有利于優化項目成本,增加經濟和社會效益[23].

            2016年魏薇對廣州市進行列舉,通過招標階段,施工和設計階段以及最后的結算階段,根據這些階段進行分析和研究,并對以上內容進行管控和優化[24].

            2017年林波榮,秦佑國和朱穎心根據我國當前全生命周期的現狀和方法為插入點進行分析,認為可以通過設計方,施工方,主管部門,使用業主等方面來管控全生命周期成本的投入[25].

            1.3研究方法及技術路線

            本文從整個系統為基礎進行研究,通過經濟技術學,建筑設備學和建筑物理等多種學科為理論依據;采用多種分析方法對系統進行詳細闡述和研究,涵蓋定量分析法,比較研究法,定性分析法,案例分析法和理論研究法。

            下圖是本文的技術路線:

            1.4論文組織結構

            第1章緒論。對綠色建筑節能方面的研究背景以及意義進行解釋。同時對國內外有關的文獻與先進技術進行深入的分析與研究,明確本文研究的主要內容和創新點。

            第2章對綠色建筑的定義進行概述,包括理論基礎與相關概念。解釋建筑能耗的定義和算法,并對綠色建筑生命周期論以及正交試驗方法進行研究第3章對綠色建筑維護結構以及節能方面的技術分析。別梳理單體設計,規劃設計方面的內容,對當前市場上圍護結構中常見的技術進行分析,包括屋頂節能技術,外墻保溫技術,遮陽性能,門窗節能技術等。為日后進一步研究奠定基礎。

            第4章綠色建筑節能設計能耗分析。通過天正節能軟件,對本文進行研究的建筑模型進行計算,得出選用建筑最初的圍護結構設計方案的節能率以及能耗。同時通過正交試驗對綠色建筑圍護結構的節能設計方面進行計算,將每個試驗方案的設計建筑的采暖累計熱負荷、設計建筑的空調累計冷負荷、設計建筑的全年累計節能率以及總負荷等等。通過試驗,綜合挑選出各項因素對圍爐結構的影響程度最差方案(負荷最大的圍護結構組合)以及最優方案(負荷最小的圍護結構組合)。第5章對綠色建筑節能設計整個生命周期的綜合成本進行優化。首先從護結構中選出節能率超過50%的方案,同時將工程造價融入到案例中,分別計算出全生命周期成本,初始成本,運營成本,從中選擇最佳方案,并且以該節能設計總思路為基礎。第6章總結與展望。對本文的研究成果進行了總結,分析了其研究不足之處。

            1.5研究創新點

            (1)分析和比較圍護結構方面的優缺點,分析內容包括:門窗節能技術,外墻保溫技術,遮陽技術和屋頂節能技術。

            (2)通過正交試驗法詳細探討窗戶類型,樓板傳熱系數,外墻傳熱系數和屋頂傳熱系數影響下面幾方面的主次順序,涵蓋全年累計總負荷、采暖累計熱負荷以及空調累計冷負荷。

            (3)對圍護結構進行優化時,需要優化綠色節能設計,全生命周期成本,探索出未來運營成本以及初始建設成本之間存在的制衡點。

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            第2章相關概念及理論基礎
            2.1建筑節能的概述
            2.1.1建筑節能設計概述
            2.1.2圍護結構的相關概念
            2.2全生命周期成本理論
            2.3本章小結

            第3章綠色建筑圍護結構節能技術分析
            3.1建筑節能規劃設計
            3.2建筑圍護結構的節能技術
            3.2.1外墻節能技術
            3.2.2門窗體系節能技術
            3.2.3屋面節能技術
            3.2.4樓板節能技術
            3.2.5建筑遮陽系統

            3.3建筑外圍護各部件節能適宜技術比較
            3.3.1外墻保溫體系技術適宜性比較
            3.3.2門窗節能技術適宜性比較
            3.3.3屋頂節能技術適宜性比較
            3.3.4遮陽系統的適宜性比較
            3.4本章小節

            第4章綠色建筑節能設計能耗分析
            4.1建筑節能分析
            4.1.1項目概況
            4.1.2節能計算結果
            4.2綠色建筑節能設計的正交試驗分析
            4.2.1正交試驗設計的基本程序
            4.2.2因素水平選擇
            4.2.3正交試驗表的確定

            4.2.4正交試驗表的計算
            4.3本章小節

            第5章綠色建筑圍護結構節能設計經濟優化
            5.1圍護結構經濟性分析及方案的選擇
            5.2初始化建設成本
            5.3未來運營成本

            5.4全生命周期成本及最佳方案選擇
            5.4.1參數設定
            5.4.2全生命周期成本模型確定
            5.4.3全生命周期成本計算和最佳方案選擇
            5.5本章小節

          第6章結論與展望

            6.1結論

            伴隨著全國經濟不斷向前發展,推動著節能資源建設不斷發展,建筑節能已稱為工程項目中越來越重要的部分,由于人們對建筑節能方面存在偏見和誤區,在一定程度上阻礙節能建筑的發展。所以,如何改善和優化全生命周期成本對綠色節能建筑起著非常重要的作用。本文研究中結合正交試驗法,綠色節能策略,制定出專業的,系統的,全面的優化策略。研究的詳細成果如下:

            (1)詳細分析和闡述正交試驗法,綠色節能建筑設計,全生命周期成本,精確進行和模擬建筑能耗,重點論述全生命周期成本對建筑原始成本和運營成本之間的關系和影響,尋找兩者的平衡點。

            (2)本文設計和研究的側重點在于綠色節能,第一,對國內外關于綠色建筑的發展以及相關的理論研究進行深入的分析。由原本的建筑節能設計轉變成建筑圍護架構設計。具體包含有屋面節能設計,外墻節能設計,樓板節能設計,門窗體節能設計,遮掩設計等,分別對這些設計中的影響因素和設計要素進行討論和匯總。第二,采用比較分析法對圍護結構中的門窗,外墻保溫,屋頂以及遮陽等四個具體方面的節能體系進行嚴格的測算與分析比對。從而更加明確各個部件在圍護結構中的優點和不足之處。

            (3)使用正交試驗法對綠色節能建筑的設計進行詳細闡述和精確計算,計算出綠色建筑全年的節能率,負荷率,計算出綠色建筑空調和采暖的冷負荷率和熱負荷率等。在這些計算中,得到了下面幾個觀點。

            ①分析采暖累計熱負荷,根據影響程度的不同分為屋頂傳熱系數<樓板傳系數<外墻傳熱系數<窗戶傳熱系數。

            分析空調累計冷負荷,根據影響程度的不同分為樓板傳熱系數<屋頂傳熱系數<外墻傳熱系數<窗戶傳熱系數。

            分析全年累計總負荷,根據影響程度的不同分為屋頂傳熱系數<樓板傳熱系數<外墻傳熱系數<窗戶傳熱系數。

            ②通過對正交試驗的精確測算,圍護結構中負荷最小的組合,也就是最佳的方案。

            針對采暖累計熱負荷,最佳方案是粘土多孔磚+空心磚墻240+中空玻璃窗+平屋面+架空樓板。

            針對空調累計冷負荷,最佳方案是加氣混凝土砌塊+中空玻璃+水泥砂漿樓面+平屋面。

            ③通過對正交試驗的精確測算,維護結構中負荷最大的組合,也就是最差方案。

            針對采暖累計熱負荷,最差方案是加氣混凝土砌塊+塑料玻璃窗+坡屋面+水泥砂漿樓面。

            針對空調累計冷負荷,最差方案是燒結多孔磚+熱鋁合金玻璃窗+平屋面+架空樓板。

            針對全年累計總負荷,最差方案是加氣混凝土砌塊+塑料玻璃窗+坡屋面+架空樓板。

            (4)以節能率50%以上的國家標準為必要條件,在建筑能耗模擬、節能設計技術性分析以及圍護結構方案三者結合的的正交試驗設計為基本條件,如果只從時間價值上考慮,那么試驗8是圍護結構方案中節能效果最好的組合,即粘土多孔磚空心磚墻240+鋁合金普通單框中空玻璃9~12mm(平開)+平屋面+架空樓板。方案7的成本是全生命周期成本中最高,即圍護結構采用鋼筋混凝土墻+斷熱鋁合金單框普通中空玻璃窗+屋面+架空樓板。從LCCAV這一指標充分分析后,本模型中成本最低的方案每年花費為152.83萬元,成本最高的方案每年花費為160.07萬元,能夠縮減4.1萬元。

            從這一指標進行詳細分析,從建筑面積來進行比對,成本最低的方案每年費為152.83元,成本最高的每年花費為160.07元,能夠縮減37347元。

            忽略時間價值,方案2是圍護結構方案中節能效果最好的組合,即粘土多孔磚+空心磚墻240+斷熱鋁合金單框普通中空玻璃窗+平屋面+水泥砂漿樓面。其中方案組合最差的是斷熱鋁合金單框普通中空玻璃窗+加氣混凝土砌塊+平屋面+架空樓板。

            本文對靜態生命周期成本進行研究和分析,可以發現,充分符合國家要求的節能率超過50%的前提下,本模型中在全生命周期成本方面,使用方案最差的成本相比較方案最佳的成本可以縮減61.49萬元。

            6.2展望

            通過對本文的研究,在綠色節能建筑方面已取得了學者們的關注,基于本文目前作為研究的初步階段,在后續的實際應用中還將遇到更多的難題,需要對這些問題進行深層次的分析和研究,下面是本文中需要進一步解決的問題:

            (1)本文側重點在于如何實現綠色節能建筑的可持續發展,實現其經濟價值去,忽視了建筑的生態性,假設能夠將綠色節能建筑的生態性,經濟性,技術性三方面結合在一起,進而尋找出最佳節能方案,在很大程度上有利于推廣和優化綠色節能技術。

            (2)本文案例中,采用的節能技術,只是根據當地設計單位和建筑單位的相關要求,沒有進一步對節能技術進行深層次,系統化,科學化的研究。根據建筑區域性的研究基礎上,要從當地的地域文化以及自然條件著手進行深入的了解與研究,再結合技術性的支持,制定出一套生態化,經濟化的節能方案。

            (3)本次研究目前僅針對于圍護結構方面的節能設計,隨著節能體系的發展,后續的研究將進行更大范圍的研究與分析,乃至整個綠色節能建筑體系中。

            參考文獻
            致謝

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